Current Issue

Journal of Korea Technical Association of the Pulp and Paper Industry - Vol. 52 , No. 2

[ Original ]
Journal of Korea Technical Association of the Pulp and Paper Industry - Vol. 52, No. 1, pp.38-44
Abbreviation: J. Korea TAPPI
ISSN: 0253-3200 (Print)
Print publication date 29 Feb 2020
Received 14 Jan 2020 Revised 13 Feb 2020 Accepted 14 Feb 2020
DOI: https://doi.org/10.7584/JKTAPPI.2020.02.52.1.38

다공스펀지 부착 골판지 소음저감덮개의 흡음률과 음향투과손실
강춘원1 ; 김미나경민2 ; 장은석3, ; 이용훈4 ; 장상식5,
1전북대학교 생활과학대학 주거환경학과, 교수
2전북대학교 생활과학대학 식품영양학과, 교수
3전북대학교 생활과학대학 주거환경학과, 학생
4전북대학교 자연과학대학 수학과, 교수
5충남대학교 농업생명과학대학 환경소재공학과, 교수

Sound Absorption Coefficient and Sound Transmission Loss of Porous Sponge Attached Corrugated Cardboard of Noise Insulation Cover
Chun-Won Kang1 ; Mina K. Kim2 ; Eun-Suk Jang3, ; Yong-Hun Lee4 ; Sang-Sik Jang5,
1Dept. of Housing Environmental Design, and Research Institute of Human Ecology, College of Human Ecology, Jeonbuk Natl. Univ.
2Dept. of Food Science & Human Nutrition, and Research Institute of Human Ecology, College of Human Ecology, Jeonbuk Natl. Univ.
3Dept. of Housing Environmental Design, and Research Institute of Human Ecology, College of Human Ecology, Jeonbuk Natl. Univ.
4Dept. of Mathematics, College of Natural Science, Jeonbuk Natl. Univ.
5Dept. of Biobased Materials, College of Agriculture & Life Sciences, Chungnam Natl. Univ.
Correspondence to : E-mail: ssjang@cnu.ac.kr (Address: Dept. of Biobased Materials, College of Agriculture & Life Sciences, Chungnam Natl. Univ., Daejeon, 34134, Republic of Korea)
Co-corresponding Author :‡ E-mail: esjang@sambosc.com (Address: Dept. of Housing Environmental Design, and Research Institute of Human Ecology, College of Human Ecology, Jeonbuk Natl. Univ., Jeonju, 54896, Republic of Korea)

Funding Information ▼

Abstract

The objective of this study is to estimate the noise control capability of a sound barrier developed using a porous sponge attached to a corrugated cardboard (CC) specifically for household blender (BL). The sound absorption coefficient and transmission loss of a triple tri-wall CC are estimated by the transfer-function and transfer-matrix methods, respectively. The sound pressure levels of the BL, CC-covered BL, and porous sponge attached to the CC-covered BL are estimated using a 1/3-octave sound pressure level meter. The mean sound absorption coefficients of a double-layered 1.5 cm thick CC and 3 cm thick porous sponge attached to a double-layered 1.5 cm thick CC are 0.10 and 0.58, respectively. In the case of the porous sponge attached to the CC-covered BL, the sound absorption coefficient value reached 0.82 in the frequency range 3–4 KHz. The mean sound transmission loss of the CC and porous sponge attached to the CC-covered BL are 50.70 and 64.74 dB, respectively. The sound pressure level of the BL, CC, and porous sponge attached to the CC-covered BL are 82.9, 65.7, and 61.2 dB, respectively. The difference in the sound pressure level between the BL and the porous sponge attached to the CC-covered BL is about 20 dB. The findings from this study can be used in potential applications for using porous sponges attached to a CC-covered BL as a noise insulation cover for household BL.


Keywords: Corrugated cardboard, porous sponge, sound absorption coefficient, sound transmission loss, transfer function method, transfer matrix method

1. 서 론

열 환경, 빛 환경, 음 환경 등의 주요 실내 환경이 일정수준에서 유지되어야 거주자가 안락함을 느낄 수 있다. 쾌적한 음 환경을 조성하기 위하여 소음을 줄여야 하는데 소음원의 음향출력을 줄이는 것이 원천적인 방법이지만 현실적으로 소음원의 음향출력을 줄이는 것은 무척 어려운 일이며 차선으로 흡음과 방음으로 소음을 차단하거나 줄이는 방법이 주류이다. 이에 따라 흡음과 차음률이 우수한 건축자재에 대한 연구가 증가하고 있다. 흡음재는 다공성재료에 의한 다공형 흡음, 판이나 막의 진동에 의한 판진동형 흡음, 그리고 좁은 주파수대역에서 높은 흡음률이 나타나는 공명기형 흡음의 흡음기작 중의 한 가지 또는 그 이상의 기작이 혼합되어 흡음 성능을 발휘한다.

골판지는 종이로 제조된 생분해성 친환경 소재이며 가격이 저렴하고, 골심지의 트러스 구조 때문에 강도가 높은 소재이다. 또한, 두께가 두껍고 가운데 빈 공간이 있어서 공명현상을 이용한 흡음 소재로 유용한 소재이다. Kang 등1)은 골판지에 구멍의 크기와 깊이, 구멍의 단위면적당 빈도수를 조절한 천공을 함으로써 특정 주파수대의 소리에 대한 흡음기능을 높일 수 있다고 보고하였다. Meng 등2)은 골판지의 구조와 유사한 샌드위치 패널에 천공을 하고 음향성능을 평가하였다.

골판지는 폐기 시 제지공장에서 바로 제지원료로 사용할 수가 있는 친환경 재료이며 천연 목재 섬유를 원료로 평량이 높게 제조되므로, 조습 기능이 일반 벽지보다 훨씬 높아서 실내의 습도를 효과적으로 조절하는 유용한 기능도 있다. 또한, 골판지는 고지 자원을 재활용해서 제작하여 포장용재 등으로 사용하기도 하는데 난연성능, 흡음 성능 등을 개선하면 실내 건축용재로의 적용도 가능하다.

한편, 가정용 전기용품으로 청소기, 세탁기, 식품분쇄용 블렌더 등이 이용되고 있는데 실내에 소음을 유발하고 층간소음, 벽간 소음 분쟁의 원인이 된다. 이 중에서 블렌더는 음식 원료를 잘게 부수거나 섞을 때 사용하며 고속으로 회전하는 모터와 비트를 이용하기 때문에 사용하는 시간 동안 일정한 주파수특성의 소음을 발생시킨다. 특히, 콩과 같은 딱딱한 재료를 분쇄하는 경우, 500-2,000 Hz 주파수대역에서 큰 소음을 발생시키며 dB 스케일로 85 dB 정도의 소음을 발생시켜 옆 사람과의 대화가 어려울 정도이다. 이러한 소음을 줄이는 방안으로 회전체의 소음을 저감시켜 소음을 줄이는 방안이 원천적인 소음저감 기술이지만 저소음 컴프레셔 등을 사용하면 제조단가가 증가한다. 회전체 자체의 소음을 줄이는 것 외에 회전체에 흡음형 덮개를 씌우는 방법도 시도되고 있는데 금속기반의 덮개는 가격이 비싸고 중량이 무거워서 이동이 불편하다.

이러한 배경에서 본 연구에서는 삼중 양면 골판지를 이용하여 회전체 소음저감덮개 개발 가능성을 평가하고자 하였다. 즉 삼중 양면 골판지로 컴프레서나 블렌더를 덮는 덮개를 제작하고 덮개의 내부에 다공성 스펀지를 부착하여 흡음 성능을 제고해서 골판지의 음향 차단 효과를 이용하여 실내소음을 조절하는 것이 가능하도록 하였다. 흡음형 방음 덮개의 흡음률과 음향투과손실을 측정하고 덮개가 없을 때와 덮개를 씌웠을 때의 소음 레벨을 평가하여 소음저감효과와 실제 적용 가능성을 평가하였다.


2. 재료 및 방법
2.1 골판지 덮개와 천공

삼중양면골판지의 평량은 1,800 g/m2, 두께 150 mm인 3개의 A골로 조성된 골판지이며, 표면과 이면 라이너지는 각각 440 g/m2의 평량을 나타내었다(Fig. 1). (주)대영포장에서 제조한 삼중 양면 골판지를 두 겹으로 적층하여 Fig. 2와 같은 소음저감덮개를 제작하였다. 소음저감덮개 내측에 두께 5 cm, 겉보기 비중 0.045의 계란판형 우레탄폼을 부착하여 부착 전후의 음향적 성질을 측정, 비교하였다.


Fig. 1. 
Triple A tri-wall corrugated board.


Fig. 2, 
Photograph of blender and porous sponge attached corrugated boards noise insulation box.

2.2 전달함수법 흡음률 측정

흡음률 측정은 Fig. 3과 같이 B&K사의 impedance tube, pulse 분석장치 그리고 스펙트럼 분석기를 이용하여 전달함수법(transfer function method)3-5)으로 50-6,400 Hz의 주파수범위에서의 흡음률을 측정하였다(Fig. 3). 흡음률 측정 시, 직경 29 mm의 임피던스관을 이용하여 50-6,400 Hz 구간의 주파수 변화에 따른 흡음률 변이를 측정하였다. 측정 시 외부조건은 온도, 상대습도, 기압이 각각, 24.3℃, 57%, 1,008.00 hPa이었고 음속, 공기밀도 그리고 음향임피던스는 각각 345.75 m/s, 1.178 kg/m3, 407.5 Pa/(m/s)이었다.


Fig. 3. 
Apparatus for sound absorption measurement.

2.3 전달행렬법 음향투과손실측정

재료의 음향투과손실은 음이 표면의 반대 방향으로 통과하는 비율로 재료의 차음성능을 나타내는 지표이며 재료를 통과하기 전의 음파와 재료를 통과한 후의 음파를 이용하여 측정한다. 본 연구에서는 골판지와 스펀지 부착 골판지의 음향투과손실을 측정하여 소음저감덮개의 차음성능에의 기여를 평가하기 위하여 Fig. 4와 같은 B&K사의 음향투과손실 측정용 impedance tube를 이용하여 ASTM E-20116)에 따라 전달행렬법으로 50-6,400 Hz 범위 주파수대역에서 골판지와 스펀지부착골판지의 음향투과손실을 측정하였다. 측정 시 외부조건은 온도, 기압이 각각, 26.3℃, 1,010.0 hPa이었다.


Fig. 4. 
The impedance tube for sound transmission loss estimation.

2.4 소음 레벨 분석

소음 레벨 분석은 Fig. 5와 같은 B&K사의 소음분석장치(B&K 2250, Bruel & Kjᴂr, Nᴂrum Denmark)를 이용하여 63-16,000 Hz의 주파수범위에서의 소음을 1/3 옥타브분석기로 측정하였다. 먼저, 분쇄용 블렌더를 최대출력으로 가동하였을 때 소음을 측정하고, 골판지 덮개를 덮었을 때 그리고 덮개 내부에 다공질형 흡음재를 부착한 골판지 덮개를 덮었을 때의 소음을 측정하였다. 이를 통하여 소음의 주파수 성분을 파악하고 각 상태에서의 소음 레벨을 주파수 분석하여 스펀지부착 소음저감덮개의 소음저감효과를 평가하였다. 측정 시 외부조건은 온도, 상대습도, 기압이 각각, 28.7℃, 54%, 1,017.25 hPa이었다.


Fig. 5. 
Sound pressure level meter equipped with frequency analyzer.


3. 결과 및 고찰
3.1 전달함수법에 의한 흡음률

Fig. 6에는 전달함수법으로 구한 골판지의 50 Hz에서 6,400 Hz의 주파수범위에서의 골판지의 흡음률을 나타내고 있다. 50-6,400 Hz 평균 흡음률은 0.10, NRC(소음 저감 계수, noise reduction coefficient)는 0.06이었다.


Fig. 6. 
Sound absorption coefficient curves for corrugated board.

Fig. 7에는 전달함수법으로 구한 골판지의 50 Hz에서 6,400 Hz의 주파수범위에서의 3 cm 두께 스펀지가 부착된 골판지의 흡음률을 나타내고 있다. 평균 흡음률은 0.58, NRC는 0.27이었다.


Fig. 7. 
Sound absorption coefficient curves for porous sponge attached corrugated board.

골판지 자체의 흡음률은 5-6% 정도로 전반적으로 낮은 흡음률을 나타내었으며 3 cm 두께의 스펀지가 부착된 경우 흡음률이 크게 증가하였다. 0.06-0.36 흡음률이 0.06-0.82 정도로 크게 증가하여 전반적으로 평균 흡음률이 0.48 정도 증가하였다.

3.2 전달함수법에 의한 음향투과손실 측정

Fig. 8에는 50 Hz에서 6,400 Hz의 주파수범위에서의 골판지의 음향 투과손실을 나타내고 있다. 500 Hz에서의 평균은 62.21 dB, 1,000 Hz에서의 평균은 83.28 dB로 골판지의 평균 투과손실은 50.70 dB이었다.


Fig. 8. 
Sound transmission loss curves for corrugated board.

Fig. 9에는 50 Hz에서 6,400 Hz의 주파수범위에서의 스펀지부착 골판지의 평균 투과손실을 나타내고 있다. 500 Hz에서의 평균은 52.91 dB, 1,000 Hz에서의 평균은 84.82 dB로 스펀지부착 골판지의 평균 음향투과손실은 64.74 dB이었다. 한편, 골판지의 50-3,000 Hz의 평균 투과손실 67.96 dB로 3,000-6,400 Hz의 평균 투과손실 35.71 dB이었는데, 스펀지 부착 골판지의 50-3,000 Hz의 평균 투과손실은 69.68 dB, 3,000-6,400 Hz의 평균 투과손실 60.48 dB로 나타나 스펀지부착 이후의 저주파수 영역에서의 음향투과손실은 큰 차이를 나타내지 않으나 3 kHz 이상 범위에서는 음향투과손실이 크게 증가하였다. 이는 스펀지의 공극에서 고주파수 영역의 음에너지가 크게 소모된 것에 기인한다.


Fig. 9. 
Sound transmission loss curves for porous sponge attached corrugated board.

3.3 소음 레벨 분석

소음 레벨 분석은 주파수 분석 기능을 내장한 B&K사의 소음분석장치를 이용하여 63-16,000 Hz의 주파수범위에서의 소음을 1/3 옥타브분석기로 측정하였다. Fig. 10은 블렌더를 설치하고 최대출력으로 가동하였을 때 소음(A), 골판지 덮개를 덮었을 때 소음(B) 그리고 덮개 내부에 다공질형 흡음재를 부착하였을 때의(C) 소음 레벨을 나타내고 있는데 X축이 각 주파수 영역의 1/3 octave band의 중심주파수를 나타내고 Y축이 소음 레벨을 나타내고 있다. (A), (B) 그리고 (C)의 평균 소음은 각각 82.9 dB, 65.7 dB 그리고 61.2 dB로 나타났다. 1/3 octave band의 중심주파수에서의 파워치를 비교해보면 골판지에 의해 저주파수 소음이 주로 저감되고 스펀지에 의해 고주파수 소음이 주로 저감되는 것을 알 수 있다. 결과적으로 스펀지부착 골판지 소음저감덮개를 덮은 경우의 소음 레벨이 블렌더 소음 레벨보다 20 dB 이상 감소하여 소음저감효과가 큰 것을 알 수 있다. Park 등7)은 철판과 흡음재를 부착한 다중층의 경우가 철판만으로 구성된 단일 차음재보다 차음성능이 증가하는 경향을 보고하고 Hwang 등8)은 이중벽의 차음성능이 우수한 것을 보고하였는데 본 연구에서도 골판지에 흡음재를 부착한 다층구조의 소음저감덮개가 외부 소음 레벨이 크게 감소하는 결과를 나타내었다. 따라서 블렌더 등을 이용할 때 스펀지부착 골판지 소음저감덮개를 이용하면 주거음향환경 개선이 가능할 것으로 사료되었다.


Fig. 10. 
Plots of center frequency of 1/3 octave band and sound pressure level of blender (A), corrugated board covered blender (B) and porous sponge attached corrugated board covered blender (C).


4. 결 론

골판지와 다공질스펀지 부착 골판지의 흡음 성능과 음향투과손실을 측정, 비교하고 블렌더를 책상 위에 설치하고 최대출력으로 가동하였을 때 소음, 골판지 덮개를 덮었을 때 소음, 스펀지 부착 골판지 덮개를 덮었을 때 소음을 평가하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

  • 1. 스펀지 부착 골판지의 흡음률이 증가하여 블렌더 소음을 저감시키는데 기여할 것으로 생각되었다.
  • 2. 스펀지 부착 골판지의 음향투과손실이 증가해서 소음저감덮개의 소음저감 기능이 증가할 것으로 예측되었다.
  • 3. 스펀지 부착 골판지 덮개는 블렌더보다 소음 레벨이 20 dB 이상 작아져서 소음 저감 능력이 우수하였다.

Acknowledgments

본 연구는 2019년도 한국연구재단 ‘이공학 개인기초연구지원사업(NRF-2019R1I1A3A02059471)’의 지원과 산림청(한국임업진흥원) ‘산림과학기술 연구개발사업(FTIS-2017050C10-1719-BB02)’의 지원에 의해 이루어졌습니다.


Literature Cited
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